Si u vërtetua teorema e Bell-it “Veprimi drithërues në distancë” është real

nuk mund të ndikojë menjëherë në atë që ndodh larg. Ky parim, të cilin fizikanët e quajnë lokalitet, u konsiderua prej kohësh si një supozim themelor për ligjet e fizikës. Pra, kur Albert Ajnshtajni dhe dy kolegë treguan në vitin 1935 se mekanika kuantike lejon “veprim drithërues në distancë”, siç tha Ajnshtajni, kjo veçori e teorisë dukej shumë e dyshimtë. Fizikantët pyesnin veten nëse mekanikës kuantike i mungonte diçka.

Më pas, në vitin 1964, me goditjen e një stilolapsi, fizikani irlandez verior John Stewart Bell e uli lokalitetin nga një parim i dashur në një hipotezë të testueshme. Bell vërtetoi se mekanika kuantike parashikonte korrelacione statistikore më të forta në rezultatet e matjeve të caktuara të largëta sesa çdo teori lokale. Në vitet që pasuan, eksperimentet e kanë vërtetuar mekanikën kuantike përsëri dhe përsëri.

Teorema e Bell-it përmbysi një nga intuitat tona më të thella rreth fizikës dhe i nxiti fizikanët të eksploronin se si mekanika kuantike mund të mundësonte detyra të paimagjinueshme në një botë klasike. “Revolucioni kuantik që po ndodh tani, dhe të gjitha këto teknologji kuantike – kjo është 100% falë teoremës së Bell,” thotë Krister Shalm, një fizikant kuantik në Institutin Kombëtar të Standardeve dhe Teknologjisë.

“Veprimi drithërues” që shqetësoi Ajnshtajnin përfshin një fenomen kuantik të njohur si ngatërrim, në të cilin dy grimca që normalisht do t’i mendonim si entitete të dallueshme humbasin pavarësinë e tyre. Famshëm, në mekanikën kuantike vendndodhja e një grimce, polarizimi dhe vetitë e tjera mund të jenë të pacaktuara deri në momentin kur maten. Megjithatë, matja e vetive të grimcave të ngatërruara jep rezultate që janë të lidhura fort, edhe kur grimcat janë larg njëra-tjetrës dhe maten pothuajse njëkohësisht. Rezultati i paparashikueshëm i njërës matje duket se ndikon menjëherë në rezultatin e tjetrës, pavarësisht nga distanca midis tyre – një shkelje e rëndë e lokalitetit.

Për të kuptuar më saktë ndërthurjen, merrni parasysh një veti të elektroneve dhe shumicës së grimcave të tjera kuantike të quajtur spin. Grimcat me rrotullim sillen disi si magnet të vegjël. Kur, për shembull, një elektron kalon përmes një fushe magnetike të krijuar nga një palë polesh magnetike veriore dhe jugore, ai devijohet nga një sasi fikse drejt njërit poli ose tjetrit. Kjo tregon se spin-i i elektronit është një sasi që mund të ketë vetëm një nga dy vlerat: “lart” për një elektron të devijuar drejt polit verior dhe “poshtë” për një elektron të devijuar drejt polit jugor.

Imagjinoni një elektron që kalon nëpër një rajon me polin verior direkt mbi të dhe polin jugor direkt poshtë. Matja e devijimit të tij do të zbulojë nëse rrotullimi i elektronit është “lart” ose “poshtë” përgjatë boshtit vertikal. Tani rrotullojeni boshtin midis poleve të magnetit larg nga vertikali dhe matni devijimin përgjatë këtij boshti të ri. Përsëri, elektroni gjithmonë do të devijojë me të njëjtën sasi drejt njërit prej poleve. Gjithmonë do të matni një vlerë binar rrotullimi – lart ose poshtë – përgjatë çdo boshti.

Rezulton se nuk është e mundur të ndërtohet ndonjë detektor që mund të masë rrotullimin e një grimce përgjatë akseve të shumta në të njëjtën kohë. Teoria kuantike pohon se kjo veti e detektorëve spin është në fakt një veti e vetë spinit: Nëse një elektron ka një spin të caktuar përgjatë një boshti, spin-i i tij përgjatë çdo boshti tjetër është i papërcaktuar.

Të armatosur me këtë kuptim të rrotullimit, ne mund të krijojmë një eksperiment mendimi që mund ta përdorim për të vërtetuar teoremën e Bell-it. Konsideroni një shembull specifik të një gjendjeje të ngatërruar: një çift elektronesh, spin-i total i të cilëve është zero, që do të thotë se matjet e rrotullimeve të tyre përgjatë çdo boshti të caktuar do të japin gjithmonë rezultate të kundërta. Ajo që është e jashtëzakonshme për këtë gjendje të ngatërruar është se, megjithëse spin-i total ka këtë vlerë të caktuar përgjatë të gjitha boshteve, spin-i individual i çdo elektroni është i pacaktuar.

Supozoni se këto elektrone të ngatërruara ndahen dhe transportohen në laboratorë të largët, dhe se ekipet e shkencëtarëve në këta laboratorë mund të rrotullojnë magnetet e detektorëve të tyre përkatës si të duan kur kryejnë matjet e rrotullimit.

Kur të dy skuadrat matin përgjatë të njëjtit bosht, ato marrin rezultate të kundërta 100% të kohës. Por a është kjo dëshmi e jolokalitetit? Jo domosdoshmërisht.

Përndryshe, propozoi Ajnshtajni, secila palë elektronesh mund të vinte me një grup shoqërues “ndryshoresh të fshehura” që specifikojnë rrotullimet e grimcave përgjatë të gjitha boshteve njëkohësisht. Këto variabla të fshehura mungojnë në përshkrimin kuantik të gjendjes së ngatërruar, por mekanika kuantike mund të mos tregojë të gjithë historinë.

Teoritë e variablave të fshehura mund të shpjegojnë pse matjet me të njëjtin bosht gjithmonë japin rezultate të kundërta pa ndonjë shkelje të lokalitetit: Një matje e një elektroni nuk ndikon tek tjetri, por thjesht zbulon vlerën paraekzistuese të një ndryshoreje të fshehur.

Bell vërtetoi se ju mund të përjashtoni teoritë e variablave të fshehura lokale, dhe në të vërtetë të përjashtoni plotësisht lokalitetin, duke matur rrotullimet e grimcave të ngatërruara përgjatë boshteve të ndryshme.

Supozoni, për fillim, që një ekip shkencëtarësh ndodh të rrotullojë detektorin e tij në krahasim me laboratorin tjetër me 180 gradë. Kjo është e barabartë me shkëmbimin e poleve të tij veriore dhe jugore, kështu që një rezultat “lart” për një elektron nuk do të shoqërohet kurrë me një rezultat “poshtë” për tjetrin. Shkencëtarët gjithashtu mund të zgjedhin ta rrotullojnë atë në një sasi ndërmjet — 60 gradë, të themi. Në varësi të orientimit relativ të magnetëve në dy laboratorët, probabiliteti i rezultateve të kundërta mund të variojë diku midis 0% dhe 100%.

Pa specifikuar ndonjë orientim të veçantë, supozoni se të dy ekipet bien dakord për një grup të tre akseve të mundshme matëse, të cilat mund t’i emërtojmë A, B dhe C. Për çdo çift elektroni, çdo laborator mat spinin e njërit prej elektroneve përgjatë njërit prej këtyre tre akse të zgjedhura rastësisht.

Le të supozojmë se bota përshkruhet nga një teori lokale e variablave të fshehura, në vend të mekanikës kuantike. Në atë rast, çdo elektron ka vlerën e vet spin në secilin nga tre drejtimet. Kjo çon në tetë grupe të mundshme vlerash për variablat e fshehura, të cilat mund t’i etiketojmë në mënyrën e mëposhtme.